要讓量子運算更「平易近人」的開放性框架

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

經典運算的最佳化花費了超過50年的時間,進展到讓使用者只要用幾行程式碼就能打造一個應用程式或網站的程度;量子運算在接下來兩三年也必須經歷類似的過程。

量子電腦的問世衍生了對容易取得與使用的開發環境之需求,為此IBM最新發表了開放源碼軟體開發套件Qiskit,旨在建立一個讓使用者不須煩惱底層技術複雜性的編程環境。未來一個程式會得利用大量的量子與經典運算資源,因此相關解決方案必須以光速進行最佳化。

IBM Quantum的Quantum Platform部門主管Blake Johnson在接受《EE Times》訪問時表示,量子技術正展現巨大成功,需要著眼未來的廣泛應用為其奠定軟體基礎。Qiskit是一個專為量子電路與演算法打造的開放源碼框架,這種軟體介面能讓開發者利用Python編寫量子演算法。此外,開發者可以將不同量子電腦之間的互動請求分組。

「量子運算的動力來自量子電路,」Johnson表示:「量子電路能計算利用經典電腦難以處理或無法處理的資料量,這也是量子運算主要的價值主張。而優良的量子電路不只是基於量子位元(qubit)的寬度或是數量,還有其深度。」

IBM的量子運算雲端平台IBM Quantum Experience之目標是帶來附加價值,好讓一開始透過OpenQASM程式語言進行的編程,在底層量子位元的邏輯運作(量子閘)層級提供一個表象(representation),從而保證量子電路的發展。

「隨後,我們提供研究人員了解實際硬體上雜訊(noise)的可能性,並透過減少錯誤來設計更好的量子閘;」Johnson表示:「我們最近發表了Qiskit最佳化模型,也展開了我們邁向零摩擦量子體驗的旅程。」

「在軟體開發方面,打造核心工具、培養演算法開發者,是實現更高品質系統之過程的一部分,這牽涉建構更好的量子閘或更好的電路;」他補充:「這些讓我們能擴展系統的力量,目標不只是製造一台好的裝置,還要能做一些對執行某些特定操作的人們來說有用的事情。」

「今日有很多軟體開發者生產力都非常高,在做很多有用的工作時都沒有考慮到電晶體物理學,或者是微碼(microcode)與組合碼(assembly code),這些都是與程式設計師互動之某些抽象(abstractions)的基礎;」Johnson接著指出:「當量子運算具備實際的影響力,將會出現相同的障礙,讓那些系統具備生產力。」

量子技術

經典運算的最佳化花費了超過50年的時間,進展到讓使用者只要用幾行程式碼就能打造一個應用程式或網站的程度;量子運算在接下來兩三年也必須經歷類似的過程。

傳統的運算工作是以0與1進行,量子運算則以量子位元來代表1或是0,或是同時可以代表兩者。這種重疊能讓兩個量子位元已無法用個別元素來解釋的方法執行,這種行為稱為糾纏(entanglement,或譯為「纏結」)。

在幾年前才實現能可靠管理不同量子系統之運作與連網的能力,今日我們已經能增加量子位元的數量,這都拜科學與工程領域的研究人員們的非凡努力。這些最新進展顯示了我們正在快速實現可取得的量子系統,能為解決問題帶來顯著的好處。

經典處理器是以乘載位元資訊(狀態)的線路以及改變位元狀態的邏輯閘所組成,要被當成電腦使用的量子系統也是由線路所組成;那些線路用於指示在不同的量子閘間的量子位元傳輸、經過的時間或量子閘。邏輯閘則意味著則單一量子位元或是多個系統。

問題在於很難維持量子系統的穩定,因為即使是最小的外部擾亂都可能會干擾並因此破壞系統的運作。許多研究人員已經開發了通訊協議,以降低這種錯誤並控制多個量子系統。IBM的目標是打造強韌的量子運算生態系統,包括開放源碼軟體工具、近期系統的應用程式,以及針對量子技術社群的教育材料。

Qiskit模型

為了壯大包含量子研究人員與應用程式開發的生態系統,IBM推出了Qiskit專案,即支援量子電腦編程與使用的開放源碼軟體開發套件。該軟體工具套件的功能性持續增加,目前能讓使用者打造量子運算程式,並讓它們在IBM真實的量子處理器或是可在線上存取的量子模擬器上執行。

Qiskit最佳化模型支援簡單、高效率的最佳化問題建模,利用IBM的Decision Optimization CPLEX (DOcplex)建模工具。程式設計師只需要以他們平常的方式來寫程式。今日的軟體開發者不需要顧慮電子零組件例如邏輯元件與MOSFT,同樣的,新發表的模型利用一個標準量子電路資料庫最佳化資源,抽象編程的某個層級。

Qiskit為量子電路層級的程式提供一組程式碼工具,賦予遠端存取的後台設備執行與管理的功能。該模型開發的目的是在短時間內推動量子電腦演算法的研發與基準測試,可借助Qiskit提供之基礎量子演算法,解決不同類型的問題。

 

Qiskit的運作原理。

(圖片來源:IBM)

 

對於那些並非量子理論或量子力學──為量子電腦的基礎──專家的人來說,IBM的工具會非常容易使用;因此Qiskit有助於擴展量子技術開發社群,企業將能利用相關資源因應業務需求。該網路平台也提供課程,說明開發者如何能將最佳化問題建模。

IBM是透過與雲端實驗平台之間的使用者介面,提供了一個實用的解決方案;該介面允許使用者為自己的研究使用量子位元、執行演算法,並探索量子技術的教學課程與模擬軟體工具。如Johnson表示,接下來的挑戰主要在於針對不同領域的新應用模型;「這項工作將能讓我們加快在不同應用領域的演算法解決方案,但也會是其他模型的催化劑。」

「另一項創新是,我們的軟體系統架構最佳化,能更有效支援典型量子工作負載,讓我們的系統能不只是接受電路而是一個程式;」他接著指出:「還有程式可更互動、有效地利用量子資源的方式。」

在未來幾年,具備100個或更多量子位元的量子電腦,將能執行超越目前經典超級電腦能力的任務,但是量子架構中的雜訊會限制其性能表現;因此首要挑戰是維持量子位元品質,而研究人員的任務還包括提出新的解決方案,包括軟體和硬體,讓編程更容易。

 

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Open-Source Framework for Quantum Computing,by Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

 

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